CN110415641A - 一种双线级联led驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED驱动控制技术领域，具体涉及一种双线级联LED驱动电路。包括数据总线、时钟总线和若干LED驱动芯片，所述LED驱动芯片通过数据总线和时钟总线进行双线级联，所述数据总线用于为LED驱动芯片提供驱动控制数据，时钟总线用于为LED驱动芯片提供时钟参照数据，所述LED驱动芯片的驱动端连接有LED灯组，所述LED灯组包括若干可发出不同颜色光源的LED灯。本发明可以通过双线信号传输实现高效的LED彩色点阵发光级联控制，保证精准的时序配合关系，提高同步刷新显示效果。
Description
技术领域
本发明涉及LED驱动控制技术领域，具体涉及一种双线级联LED驱动电路。
背景技术
LED即发光二极管的简称，它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。发光二极管(LED)的应用大致可分为显示功能及照明功能两大方向，由于科技不断的进步，传统的单色发光二极管(LED)已经渐渐无法满足人类视觉的需求，所以陆续开发出了双色发光二极管(LED)、全彩发光二极管(LED)等相关产品。全彩发光二极管为能达成各种颜色的呈现，所以每一颗全彩LED封装结构中，至少包含有红光(R)LED、绿光(G)LED及蓝光(B)LED，以利用红光(R)、绿光(G)及蓝光(B)三原色光来混合出***的光线色彩，但是因为各种光色所需求的RGB三原色光的比例都不同，故全彩发光二极管都需要外接搭配限流电阻及驱动单元来有效精准的控制RGB三原色的混光比例。
采用计算机控制，将光、电融为一体的智能全彩显示屏已经在广泛领域得到应用，其像素点采用发光二极管LED，将许多发光二极管以点阵方式排列起来，构成LED阵列，进而构成LED屏幕。通过不同的LED驱动方式，可得到不同效果的图像。因此LED驱动芯片的优劣，对LED显示屏的显示质量起着重要的作用。在LED景观亮化应用市场中，由于每个LED驱动芯片所能驱动的灯点个数有限，若要实现大规模的灯饰***，就必须对LED驱动芯片进行级联从而级联更多的灯点。所述灯点是指一个像素，可以由三个LED灯组成，例如红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯。现有的LED驱动芯片在进行级联时，还存在总线传输效率欠佳、时序配合较差的缺陷，有待进一步的改进。
发明内容
本发明提供了一种双线级联LED驱动电路，其应用时，可以通过双线信号传输实现高效的LED彩色点阵发光级联控制，保证精准的时序配合关系，提高同步刷新显示效果。
本发明所采用的技术方案为：
一种双线级联LED驱动电路，包括数据总线、时钟总线和若干LED驱动芯片，所述LED驱动芯片通过数据总线和时钟总线进行双线级联，所述数据总线用于为LED驱动芯片提供驱动控制数据，时钟总线用于为LED驱动芯片提供时钟参照数据，所述LED驱动芯片的驱动端连接有LED灯组，所述LED灯组包括若干可发出不同颜色光源的LED灯。
作为上述技术方案的优选，所述LED驱动芯片包括解码模块、数据处理模块、振荡器模块、驱动控制模块、IBIAS模块和若干场效应晶体管，所述解码模块与数据总线和时钟总线对接，用于对数据总线和时钟总线传输的数据进行解码，并将解码后的数据传至数据处理模块，同时，解码模块还用于将数据总线和时钟总线上分别剩余的数据流整形，并传输至下一个级联的LED驱动芯片，所述振荡器模块为数据处理模块提供内部基准时钟信号，所述数据处理模块用于向驱动控制模块发送驱动控制命令，所述IBIAS模块用于向驱动控制模块提供偏置电流，所述驱动控制模块用于通过场效应晶体管输出驱动控制电流，每个场效应晶体管输出端连接一个对应颜色光源的LED灯。
作为上述技术方案的优选，所述LED灯组包括红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯，LED驱动芯片设三个驱动端分别连接红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯。
作为上述技术方案的优选，所述LED驱动芯片设有VDD、GND、SDI、SDO、CKI、CKO、OUTR、OUTG和OUTB接口，所述VDD接口和GND接口分别为LED驱动芯片的电源接入端和接地端，所述SDI接口和CKI接口分别为数据总线和时钟总线的接入端，所述SDO接口和CKO接口分别为数据总线和时钟总线的接出端，所述OUTR、OUTG和OUTB接口分别用于连接红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯。
作为上述技术方案的优选，所述数据总线和时钟总线的初始端连接有外部控制器，所述外部控制器用于通过数据总线和时钟总线分别输出驱动控制数据和时钟参照数据。
作为上述技术方案的优选，所述驱动控制模块设有脉冲宽度调制单元，脉冲宽度调制单元与各场效应晶体管连接。
作为上述技术方案的优选，所述场效应晶体管设有三个，三个场效应晶体管的栅极均连接驱动控制模块，源极均接地，漏极分别连接OUTR、OUTG和OUTB接口。
作为上述技术方案的优选，所述LED驱动芯片通过VDD接口接入5V电源电压。
作为上述技术方案的优选，所述振荡器模块选用内置RC振荡器。
本发明的有益效果为：
本发明通过外部控制器设定好驱动控制数据和时钟参照数据然后分别通过数据总线和时钟总线传输至级联的LED驱动芯片，LED驱动芯片内的解码模块对数据总线和时钟总线传输的数据进行解码，获得该级LED驱动芯片的驱动控制数据和时钟参照数据，并发送至数据处理模块，然后将数据总线和时钟总线上分别剩余的数据流整形，并传输至下一个级联的LED驱动芯片，数据处理模块获得驱动控制数据和时钟参照数据后，根据振荡器模块提供的内部基准时钟信号确定精准的时间点向驱动控制模块发送控制命令，振荡器模块选用内置RC振荡器，以提供高精度、高稳定性的内部基准时钟信号，IBIAS模块的作用是通过一个反馈环产生一个基准电流，并将这个基准电流通过不同比例的电流镜输出至驱动控制模块作为偏置电流，驱动控制模块根据控制命令对IBIAS模块提供的偏置电流进行调制后，通过场效应晶体管输出对应颜色光源的LED灯进行发光控制，以此实现高效的LED彩色点阵发光级联控制，保证精准的时序配合关系，提高同步刷新显示效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明各LED驱动芯片双线级联电路示意图；
图2为本发明的LED驱动芯片内部结构示意框图；
图3为本发明的LED驱动芯片各接口示意图；
图4为双线输入协议波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
应当理解，在本发明的描述中，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出***，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例1：
本实施例提供了一种双线级联LED驱动电路，如图1至图2所示：
包括数据总线、时钟总线和若干LED驱动芯片，所述LED驱动芯片通过数据总线和时钟总线进行双线级联，所述数据总线用于为LED驱动芯片提供驱动控制数据，时钟总线用于为LED驱动芯片提供时钟参照数据，所述LED驱动芯片的驱动端连接有LED灯组，所述LED灯组包括若干可发出不同颜色光源的LED灯，所述LED驱动芯片包括解码模块(即图2中的DECODE)、数据处理模块(即图2中的MCU)、振荡器模块(即图2中的OSC)、驱动控制模块(即图2中的DRV)、IBIAS模块和若干场效应晶体管，所述解码模块(即图2中的DECODE)与数据总线和时钟总线对接，用于对数据总线和时钟总线传输的数据进行解码，并将解码后的数据传至数据处理模块(即图2中的MCU)，同时，解码模块(即图2中的DECODE)还用于将数据总线和时钟总线上分别剩余的数据流整形，并传输至下一个级联的LED驱动芯片，所述振荡器模块(即图2中的OSC)为数据处理模块(即图2中的MCU)提供内部基准时钟信号，所述数据处理模块(即图2中的MCU)用于向驱动控制模块(即图2中的DRV)发送驱动控制命令，所述IBIAS模块用于向驱动控制模块(即图2中的DRV)提供偏置电流，所述驱动控制模块(即图2中的DRV)用于通过场效应晶体管输出驱动控制电流，每个场效应晶体管输出端连接一个对应颜色光源的LED灯。所述数据总线和时钟总线的初始端连接有外部控制器，所述外部控制器用于通过数据总线和时钟总线分别输出驱动控制数据和时钟参照数据。其应用时，可通过外部控制器设定好驱动控制数据和时钟参照数据然后分别通过数据总线和时钟总线传输至级联的LED驱动芯片，LED驱动芯片内的解码模块(即图2中的DECODE)对数据总线和时钟总线传输的数据进行解码，获得该级LED驱动芯片的驱动控制数据和时钟参照数据，并发送至数据处理模块(即图2中的MCU)，然后将数据总线和时钟总线上分别剩余的数据流整形，并传输至下一个级联的LED驱动芯片，数据处理模块(即图2中的MCU)获得驱动控制数据和时钟参照数据后，根据振荡器模块(即图2中的OSC)提供的内部基准时钟信号确定精准的时间点向驱动控制模块(即图2中的DRV)发送控制命令，振荡器模块(即图2中的OSC)选用内置RC振荡器，以提供高精度、高稳定性的内部基准时钟信号，IBIAS模块的作用是通过一个反馈环产生一个基准电流，并将这个基准电流通过不同比例的电流镜输出至驱动控制模块(即图2中的DRV)作为偏置电流，驱动控制模块(即图2中的DRV)根据控制命令对IBIAS模块提供的偏置电流进行调制后，通过场效应晶体管输出对应颜色光源的LED灯进行发光控制，以此实现高效的LED彩色点阵发光级联控制，保证精准的时序配合关系，提高同步刷新显示效果。
实施例2：
作为对上述实施例的优化，所述LED灯组包括红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯，LED驱动芯片设三个驱动端分别连接红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯。如图3所示，LED驱动芯片设有VDD、GND、SDI、SDO、CKI、CKO、OUTR、OUTG和OUTB接口，所述VDD接口和GND接口分别为LED驱动芯片的电源接入端和接地端，所述SDI接口和CKI接口分别为数据总线和时钟总线的接入端，所述SDO接口和CKO接口分别为数据总线和时钟总线的接出端，所述OUTR、OUTG和OUTB接口分别用于连接红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯。所述场效应晶体管设有三个，三个场效应晶体管的栅极均连接驱动控制模块(即图2中的DRV)，源极均接地，漏极分别连接OUTR、OUTG和OUTB接口。其应用时，LED驱动芯片各接口定义如下表所示：
通过OUTR、OUTG和OUTB输出驱动红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯组成的三原色灯组，以完成彩色点阵发光级联控制。SDI接口和CKI接口分别对接解码模块(即图2中的DECODE)输入端，用于驱动控制数据和时钟参照数据的输入，SDO接口和CKO接口分别对接解码模块(即图2中的DECODE)输出端，用于下一级联驱动控制数据和时钟参照数据的输出。
实施例3：
作为对上述实施例的优化，所述驱动控制模块(即图2中的DRV)设有脉冲宽度调制单元，脉冲宽度调制单元与各场效应晶体管连接，以此实现对各颜色光源的LED灯的高效、精细地灰度调节。LED驱动芯片在接收到外部控制器或上一级LED驱动芯片发送的数据流后，解码模块(即图2中的DECODE)提取该级RGB灯的数据，数据处理模块(即图2中的MCU)根据此数据决定RGB各灯的灰度，通过驱动控制模块(即图2中的DRV)用恒流脉宽调制(PWM)方式驱动RGB灯实现不同的混色效果。灰度也就是所谓的色阶或灰阶，是指亮度的明暗程度。LED显示屏的灰度等级越高，颜色越丰富，色彩越艳丽；反之，显示颜色单一，变化简单。由于LED是线性器件，与传统显示器的非线性显示特性不同。为了能够让LED显示效果能够符合传统数据源同时又不损失灰度等级，一般在LED显示***后级会做灰度数据的非线性变换，变换后的数据位数会增加。通用的LED灰度调节控制方法有两种：一种是改变流过的电流；一种是脉冲宽度调制。改变流过LED的电流，一般LED管允许连续工作电流在20毫安左右，除了红色LED有饱和现象外，其他LED灰度基本上与流过的电流成比例。另一种方法是利用人眼的视觉惰性，用脉宽调制(PWM)方法来实现灰度控制，也就是周期性改变光脉冲宽度，即占空比，只要这个重复点亮的周期足够短，即刷新频率足够高，人眼是感觉不到发光象素在抖动。由于脉宽调制更适合于数字控制，所以在普遍采用微机来提供LED显示内容的今天，几乎所有的LED屏都是采用脉宽调制来控制灰度等级的。脉宽调制(PWM)基本原理：脉宽调制(PWM)基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
实施例4：
作为对上述实施例的优化，LED驱动芯片电气参数(参考Ta＝25℃)设置如下表所示：
最大额定值(参考Ta＝25℃)如下表：
| 参数 | 符号 | 范围 | 单位 |
| 电源电压 | V<sub>DD</sub> | -0.5～5.5 | V |
| 逻辑输入电压 | V<sub>I</sub> | -0.3～V<sub>DD</sub>+0.3 | V |
| R/G/B输出电流 | I<sub>OUT</sub> | 17 | mA |
| 工作温度 | T<sub>opt</sub> | 0～+70 | ℃ |
| 储存温度 | T<sub>stg</sub> | -50～+125 | ℃ |
| ESD耐压(HBM) | V<sub>ESD</sub> | 2K | V |
LED驱动芯片采用双线通信协议，输入协议波形如图4所示，双线协议串联N个芯片SDI数据如下表：
其中，显示数据字节如下表：
| 111 | 5位亮度调整 | 8位蓝灯数据 | 8位绿灯数据 | 8位红灯数据 |
起始字节为：
| 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 |
结束字节为：
| 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111 |
256级灰度可调，具体如下表:
协议亮度调整(5Bit 32级)如下表：
具体实施时的主要特点：
由之前的恒流方案提升为电流随电压线性变化；
PWM刷新频率提升到27KHz；
传输速度30MHZ；
默认上电不亮灯；
不亮灯且无数据输入时零功耗。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (9)
1.一种双线级联LED驱动电路，其特征在于：包括数据总线、时钟总线和若干LED驱动芯片，所述LED驱动芯片通过数据总线和时钟总线进行双线级联，所述数据总线用于为LED驱动芯片提供驱动控制数据，时钟总线用于为LED驱动芯片提供时钟参照数据，所述LED驱动芯片的驱动端连接有LED灯组，所述LED灯组包括若干可发出不同颜色光源的LED灯。
2.根据权利要求1所述的一种双线级联LED驱动电路，其特征在于：所述LED驱动芯片包括解码模块、数据处理模块、振荡器模块、驱动控制模块、IBIAS模块和若干场效应晶体管，所述解码模块与数据总线和时钟总线对接，用于对数据总线和时钟总线传输的数据进行解码，并将解码后的数据传至数据处理模块，同时，解码模块还用于将数据总线和时钟总线上分别剩余的数据流整形，并传输至下一个级联的LED驱动芯片，所述振荡器模块为数据处理模块提供内部基准时钟信号，所述数据处理模块用于向驱动控制模块发送驱动控制命令，所述IBIAS模块用于向驱动控制模块提供偏置电流，所述驱动控制模块用于通过场效应晶体管输出驱动控制电流，每个场效应晶体管输出端连接一个对应颜色光源的LED灯。
3.根据权利要求2所述的一种双线级联LED驱动电路，其特征在于：所述LED灯组包括红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯，LED驱动芯片设三个驱动端分别连接红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯。
4.根据权利要求3所述的一种双线级联LED驱动电路，其特征在于：所述LED驱动芯片设有VDD、GND、SDI、SDO、CKI、CKO、OUTR、OUTG和OUTB接口，所述VDD接口和GND接口分别为LED驱动芯片的电源接入端和接地端，所述SDI接口和CKI接口分别为数据总线和时钟总线的接入端，所述SDO接口和CKO接口分别为数据总线和时钟总线的接出端，所述OUTR、OUTG和OUTB接口分别用于连接红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯。
5.根据权利要求4所述的一种双线级联LED驱动电路，其特征在于：所述场效应晶体管设有三个，三个场效应晶体管的栅极均连接驱动控制模块，源极均接地，漏极分别连接OUTR、OUTG和OUTB接口。
6.根据权利要求4所述的一种双线级联LED驱动电路，其特征在于：所述LED驱动芯片通过VDD接口接入5V电源电压。
7.根据权利要求2所述的一种双线级联LED驱动电路，其特征在于：所述驱动控制模块设有脉冲宽度调制单元，脉冲宽度调制单元与各场效应晶体管连接。
8.根据权利要求2所述的一种双线级联LED驱动电路，其特征在于：所述振荡器模块选用内置RC振荡器。
9.根据权利要求1所述的一种双线级联LED驱动电路，其特征在于：所述数据总线和时钟总线的初始端连接有外部控制器，所述外部控制器用于通过数据总线和时钟总线分别输出驱动控制数据和时钟参照数据。
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